角膜炎，也被稱為角膜潰瘍，是一種常見的角膜疾病，由細菌、真菌、病毒或變形蟲引起。這種眼部疾病是導致視力喪失的主要原因，據報道，傳染性角膜炎已成為全球第五大致盲原因。長期佩戴隱形眼鏡是導致了金黃色葡萄菌侵入的主要誘因之一，這種細菌的侵入容易誘發細菌性角膜炎，其臨床癥狀為急性疼痛、紅腫、畏光。研究發現，細菌感染可誘導感染組織微環境發生酸性變化，進一步加劇疾病發展。

細菌性角膜炎的常規治療方法是在眼表面局部使用廣譜抗生素滴眼液來對抗傳染性細菌。然而，由于角膜上皮屏障阻止親水藥物大分子穿透角膜，以及淚膜稀釋清除藥物溶液，大大降低了生物利用度，并減少了藥物滯留時間。因此，為了維持角膜內有足夠的藥物濃度，通常需要使用大量抗生素和頻繁給藥，這很可能給眼組織帶來毒性影響，增加抗菌素耐藥性的風險。

為解決以上問題，武漢大學藥學院黎威教授團隊設計開發了一種自植入的核殼結構微針貼片，用于治療細菌性角膜炎。相關研究成果以“Self-Implantable Core–Shell Microneedle Patch for Long-Acting Treatment of Keratitis via Programmed Drug Release”為題發表在期刊《Small》上。武漢大學藥學院博士研究生江雪為第一作者，武漢大學藥學院黎威教授為通訊作者。



該微針貼片是利用3D打印設備加工模具后經PDMS翻模制備而成。該研究首先通過原位的還原法制備了裝載納米銀的沸石咪唑酯框架-8納米粒（Ag@ZIF-8 NPs），然后將其裝載在聚乙烯醇（PVA）組成的微針水溶性核心部分。微針的外殼結構由生物相容性和可生物降解的天然蛋白質絲素蛋白（SF）組成，作為抗血管生成/抗炎藥物雷帕霉素的（Rapamycin，Rapa）的緩釋藥物庫（圖1）。

圖1 裝載Ag@ZIF-8 NPs和雷帕霉素的核殼微針的示意圖

隨后通過透射電鏡、X射線光電子能譜儀等多種表征證明，當納米銀被成功包覆在ZIF-8中，仍然可以維持ZIF-8原來的晶體結構。氮氣吸附法和熱重分析證實納米銀的負載率約為15%。在不同PH下做釋放發現，Zn2?和Ag?在酸性pH下大量釋放，呈現較靈敏的酸響應。并且通過透射電鏡觀察得到ZIF-8的結構在酸性條件下幾乎完全破壞（圖2）。

圖2 Ag@ZIF-8 NPs的表征

然后，通過SEM觀察微針的結構。該微針為4 × 4的方形矩陣，針體呈圓錐形，底部直徑為400 μm，高度為850 μm。殼層絲素蛋白用羅丹明標記，核層用異硫氰酸熒光素（FITC）標記，在共聚焦顯微鏡下可明顯觀察到紅色熒光包裹綠色熒光。同時通過元素映射分析針尖的橫截面，可以觀察到殼層擁有豐富的氮元素，而殼層包圍的核心層富集較多的Zn元素，證實了微針的殼核結構。通過穿刺明膠凝膠塊，可以觀察到FITC標記的PVA層進入凝膠后立即向上擴散，而紅色標記的SF層保持不變（圖3）。

圖3 核殼微針貼片的表征

緊接著，通過力學測試和體外眼球上穿刺，證實了該殼核微針具有較好的力學性能和較高的穿刺效率。核心層進入眼球后，立即擴散，而殼層保持不變。微針的藥物釋放曲線同樣證實了核心層的速釋和殼層的緩釋（圖4）。這種殼層結構可以用來保護核心層，使抗菌納米粒較多的遞送到角膜基質，而不是溶解在角膜表層。

圖4 體外和離體核殼微針貼片角膜植入和藥物釋放動力學

最后通過在角膜基質內注射金黃色葡萄球菌，實現在大鼠上造細菌性角膜炎模型，然后通過鏡下觀察眼球，提取角膜細菌，角膜炎臨床評分和病理切片來評估殼核微針的治療效果（圖5）。相比于其他組，殼核微針不僅在較短時間（5天）內殺死了細菌，抑制了角膜炎癥，并且減少了角膜新生血管的發生，這得益于殼核微針較高的遞藥效率和雷帕霉素的長效緩釋能力。研究還發現，空白微針在老鼠觀察期間沒有造成任何損傷，也沒有加重角膜炎的發展，證明了微針的安全性。

圖5 核殼微針貼片治療細菌性角膜炎的療效觀察

綜上所述，在這項工作中，研究人員設計了一種具有核-殼結構的眼部微針貼片，用于協同治療細菌性角膜炎。這種微針貼片含有pH響應性Ag@ZIF-8 NPs和抗炎抗血管生成的藥物（即Rapa）。在角膜植入后，由于淚液快速溶解可溶層，核殼微針可以迅速從貼片背襯中分離并嵌入角膜。微針植入后，Ag@ZIF-8 NPs從核心層擴散，隨后在感染角膜的酸性環境中發生響應性降解，通過釋放金屬離子（Zn2?、Ag?）發揮抗菌活性，促進角膜上皮細胞遷移。同時，由天然材料（即SF）組成的可降解外殼使Rapa緩慢釋放，從而實現長效抗炎和抗角膜血管生成。由于有益的程序性藥物釋放特性，單次給藥核殼微針貼片在細菌性角膜炎大鼠模型中實現了優越的協同抗菌、血管抑制和抗炎效果，為細菌性角膜炎的治療提供了一種有前景的方法。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/smll.202310461

審核編輯：劉清